【机器学习】探秘图像处理与分类:运用C++结合OpenCV实现智能视觉识别技术


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引言

在计算机视觉领域,图像处理与分类是核心任务之一。OpenCV作为一个功能强大的开源计算机视觉库,提供了丰富的API支持多种语言的开发,其中C++因其性能优势而被广泛使用,下面我们就来看一下,如何使用C++结合OpenCV进行图像处理与分类,包括安装步骤、基础图像操作以及使用Bag of Words (BOW)算法进行图像分类。

文章目录

  • 引言
  • 一、OpenCV的介绍
    • [1.1 OpenCV的由来](#1.1 OpenCV的由来)
    • [1.2 OpenCV的主要构成](#1.2 OpenCV的主要构成)
  • 二、安装OpenCV
    • [2.1 OpenCV的安装与配置](#2.1 OpenCV的安装与配置)
    • [2.2 OpenCV在Windows系统下的安装](#2.2 OpenCV在Windows系统下的安装)
    • [2.3 OpenCV在Linux系统下的安装](#2.3 OpenCV在Linux系统下的安装)
    • [2.4 OpenCV在Mac OS系统下的安装](#2.4 OpenCV在Mac OS系统下的安装)
    • [2.5 配置Python环境使用OpenCV](#2.5 配置Python环境使用OpenCV)
  • 三、图片处理步骤
    • [3.1 图像读取与显示](#3.1 图像读取与显示)
    • [3.2 图像预处理](#3.2 图像预处理)
    • [3.3 图像形状检测](#3.3 图像形状检测)
  • 四、图像分类
    • [4.1 使用Bag of Words (BOW)算法进行](#4.1 使用Bag of Words (BOW)算法进行)
    • [4.2 环境准备](#4.2 环境准备)
    • 示例代码
  • 五、适合图像分类的优秀的仓库
  • 结尾

一、OpenCV的介绍

1.1 OpenCV的由来

OpenCV(open source computer vision library)是一个基于BSD许可(开源)发行的跨平台计算机视觉库,可以运行在Linux、Windows、Android和Mac OS操作系统上。

  • 它轻量级而且高效------由一系列 C 函数和少量 C++ 类构成,同时提供了Python、Ruby、MATLAB等语言的接口,实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。

1.2 OpenCV的主要构成

OpenCV用C++语言编写,它的主要接口也是C++语言,但是依然保留了大量的C语言接口。

在计算机视觉项目的开发中,OpenCV作为较大众的开源库,拥有了丰富的常用图像处理函数库,采用C/C++语言编写,可以运行在Linux/Windows/Mac等操作系统上,能够快速的实现一些图像处理和识别的任务。

此外,OpenCV还提供了Java、python、cuda等的使用接口、机器学习的基础算法调用,从而使得图像处理和图像分析变得更加易于上手,让开发人员更多的精力花在算法的设计上。

二、安装OpenCV

2.1 OpenCV的安装与配置

OpenCV的安装方式根据不同的操作系统和使用环境有所不同。以下我们将分别介绍在Windows、Linux和Mac OS下的安装方式,以及如何配置Python环境使用OpenCV。

2.2 OpenCV在Windows系统下的安装

在Windows系统下,推荐使用Python的包管理工具pip来安装OpenCV。你可以在命令行中运行以下命令来安装:

python 复制代码
pip install opencv-python

如果你需要使用到OpenCV的额外模块(如xfeatures2d等),可以安装opencv-contrib-python包:

python 复制代码
pip install opencv-contrib-python

2.3 OpenCV在Linux系统下的安装

在Linux系统下,我们同样可以使用pip来安装OpenCV。打开终端,运行以下命令:

pip install opencv-python

同样,如果你需要使用到OpenCV的额外模块,可以安装opencv-contrib-python包:

pip install opencv-contrib-python

2.4 OpenCV在Mac OS系统下的安装

在Mac OS下,我们同样可以使用pip来安装OpenCV。打开终端,运行以下命令:

python 复制代码
pip install opencv-python

如果你需要使用到OpenCV的额外模块,可以安装opencv-contrib-python包:

python 复制代码
pip install opencv-contrib-python

2.5 配置Python环境使用OpenCV

安装完成OpenCV后,我们可以在Python环境中导入cv2模块来使用OpenCV的功能。你可以创建一个新的Python脚本,然后在其中输入以下代码来测试OpenCV是否安装成功:

python 复制代码
import cv2

# 打印OpenCV版本
print(cv2.__version__)

如果输出了你所安装的OpenCV版本号,那么恭喜你,你已经成功安装并配置好了OpenCV!

总的来说,无论是在Windows、Linux还是Mac OS系统下,安装和使用OpenCV都是相对简单的。只需要几个简单的命令,就可以开始你的OpenCV之旅了。

三、图片处理步骤

3.1 图像读取与显示

图像处理的基础是能够读取和显示图像。以下是使用OpenCV进行这些基本操作的示例:

cpp 复制代码
#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <iostream>
int main() {
    cv::Mat image = cv::imread("image.jpg"); // 读取图像
    if (image.empty()) {
        std::cout << "Error: Image cannot be loaded." << std::endl;
        return -1;
    }
    cv::imshow("Display window", image); // 显示图像
    cv::waitKey(0); // 等待按键
    return 0;
}

3.2 图像预处理

图像预处理是图像分类前的重要步骤,包括缩放、裁剪、灰度转换、滤波等。以下是一个简单的预处理示例:

cpp 复制代码
cv::Mat grayImage;
cv::cvtColor(image, grayImage, cv::COLOR_BGR2GRAY); // 转换为灰度图像
cv::GaussianBlur(grayImage, grayImage, cv::Size(5, 5), 1.5); // 高斯模糊

3.3 图像形状检测

图像形状检测通常用于特征提取,以下是使用OpenCV进行边缘检测的示例:

cpp 复制代码
cv::Mat edges;
cv::Canny(grayImage, edges, 50, 150); // Canny边缘检测

四、图像分类

4.1 使用Bag of Words (BOW)算法进行

BOW算法是一种基于特征提取和词汇构建的图像分类方法。

4.2 环境准备

确保已经安装了OpenCV和必要的机器学习模块。

示例代码

以下是使用BOW进行图像分类的示例代码:

cpp 复制代码
// 假设已经完成了特征提取和词汇构建
cv::Ptr<cv::DescriptorMatcher> matcher = cv::DescriptorMatcher::create("BruteForce");
cv::BOWKMeansTrainer bowTrainer(100); // 使用K-means进行词汇构建
// ...添加特征到bowTrainer
cv::Mat vocabulary = bowTrainer.cluster(); // 获取词汇
// 创建BOWImgDescriptorExtractor
cv::Ptr<cv::BOWImgDescriptorExtractor> bowDE = new cv::BOWImgDescriptorExtractor(
    cv::FeatureDetector::create("SIFT"), 
    cv::DescriptorExtractor::create("SIFT"), 
    matcher
);
bowDE->setVocabulary(vocabulary);
// 对图像进行特征提取和编码
std::vector<cv::Mat> descriptors;
bowDE->compute(image, keypoints, descriptors);
// 使用SVM或其他分类器进行分类
// ...

五、适合图像分类的优秀的仓库

  • OpenCV Contrib模块中的ml模块,提供了多种机器学习算法。
  • DLib库,提供了更高级的机器学习算法和工具。
  • TensorFlow和PyTorch,虽然主要是用于深度学习,但也支持C++接口。

结尾

使用C++结合OpenCV进行图像处理与分类是一项强大的技术,适用于多种实际应用场景。通过掌握基本的图像处理技术、特征提取和机器学习算法,开发者可以构建出高效且准确的图像分类系统。随着技术的不断进步,OpenCV将继续提供更多的工具和算法,推动计算机视觉领域的发展。

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